一种改进的虚拟手术中人体软组织形变方法

虚拟手术是将计算机虚拟现实技术应用于现代医学,利用医学图像数据,重构出虚拟人体软组织模型,利用触觉交互设备,在视觉和触觉上为使用者提供手术场景的模拟和仿真。其中,软组织形变的仿真和建模是虚拟手术系统核心的研究内容之一。针对虚拟手术中软组织形变仿真,提出了一种改进的弹簧—质点模型。在正四边形网格拓扑结构表面模型中,增加了结构弹簧、剪切弹簧和弯曲弹簧,使表面模型具有体模型的特征。该模型继承了传统弹簧—质点模型的建模快、原理简单、仿真速度快等优点,同时还具有控制形变区域的能力,从而提高了仿真模型的精确度,满足交互系统的真实性和稳定性需求。实验表明该方法有效增强了形变仿真的体积特征,适合于软组织形变较大时的实时仿真,满足了虚拟手术系统实时性的要求。     

重力作用下肝脏模型变形及切割模拟仿真

为了能够实时且准确的模拟部分肝脏切除术中肝脏真实变形状态,本文提出了一种基于物理的质点弹簧软组织模型。依据肝脏软组织生物力学特性建立了针对肝脏的质点弹簧模型,利用此模型将离体猪肝作为实验对象,分别进行离体猪肝受重力变形以及离体猪肝的切割实验,给出了模拟变形与真实变形的离体猪肝CT扫面重建模型对比结果。实验结果表明:离体猪肝在重力作用下变形在2 mm内,离体猪肝切割变形在3 mm内;在实时性方面,引入GPU进行并行计算,在重力变形以及切割过程中刷新率分别保持在300FPS和200FPS。该模型能够真实反映肝脏组织形变,同时在计算效率方面具有明显的优势。本文提出的质点弹簧软组织模型能够满足肝脏切割的要求。     

手术仿真中基于质点-弹簧模型的人体组织变形仿真

采用质点一弹簧建模方法提出了人体软组织面模型和体模型系统、程式化的计算模型建立方法。将连续的软组织离散为由弹簧偶尼器及与其连接的质点构成的离散系统，用邻接表来表示离散系统的拓扑结构，即弹簧一质点间的邻接关系，依据该信息，可自动建立方程并计算与每个质点连接的弹簧、阻尼器对质点的粘弹性力的贡献，然后采用4阶Runge-Kutta方法对得到的微分方程组进行数值积分。通过小肠模型(面模型)和规则块状软组织模型(体模型)2个实例介绍了采用所提出的方法实施软组织变形仿真的过程。     

基于中国书法的虚拟毛笔模型

文中提出一个基于书法的虚拟毛笔模型.该模型的主要优点在于使用基于物理的建模方法来描述真实毛笔在实际书写过程中由于毛笔内部力和外部力的影响产生的毛笔变形.通常采用的基于物理的模拟方法是通过模拟每一根笔毛的变形进而模拟整支毛笔的整体变形,而该模型使用了基于毛笔和纸张交互产生的印痕来模拟毛笔变形,这种方法可以大大降低传统的基于毛发模拟方法产生的计算复杂性.同时,为了精确地计算毛笔的变形参数,使用了一组弹簧网络,能根据施加于毛笔上盼力来计算毛笔的弹性变形.仿真结果表明,虚拟毛笔可以高效地实时操作,并得到可与真实毛笔笔迹媲美的效果.     

基于质点-弹簧模型的三维服装模拟

为了实现服装的三维悬垂效果动画模拟,使用质点-弹簧模型对衣片进行三角网格划分,生成质点和弹簧,在力的作用下,衣片产生变形;同时采用基于雅可比迭代法的隐式积分方法高效求解了织物的运动方程,不断显示服装的悬垂动画,并用纹理映射模拟织物的真实效果.该方法求解效率较高,模拟效果比较真实.     

质点弹簧水面与Metaball结合的雨场景渲染算法

为解决雨场景细节展现不真实和不完善问题,提出一种Metaball技术与质点弹簧水面结合的算法模拟雨滴撞击水面的效果。首先,以粒子系统结合基于图像的绘制方法建立雨滴模型,以质点弹簧建立任意形状的水面模型;其次,采用质点弹簧水面结合Metaball技术模拟雨滴撞击水面起泡的过程;再次,采用粒子系统和逐渐淡化融合的方法表现了水花的产生和消失;最后,使用Cg语言实现了水面和泡泡的反射和折射效果,完成场景渲染。实验结果表明,所提出的方法能够快速且比较真实表现雨滴撞击水面的效果。     

一种基于质点-弹簧系统的植物形变模拟改进算法

在外力作用下植物的形变是自然场景建模中重要的研究内容,逼真地模拟植物形变在植物虚拟仿真过程中具有重要作用。提出一种基于质点-弹簧系统的植物形变模拟的改进算法,实现了小规模植株枝条及叶片的运动模拟。首先进行植株模型的骨骼提取和模型重建,然后基于骨骼节点构造质点-弹簧组,并根据植株的受力情况分析进行植株动态形变的模拟。选取番茄为研究对象,在Unity3D平台上进行了番茄植株形变模拟。该改进算法可以统一处理植株的多种器官结构的受力分析和形变,并且考虑到了植株的碰撞处理,模拟实验的结果证明了该算法的有效性,可以为植物形变模拟的研究提供技术参考。     

基于弱弹性拉伸的任意服装模型仿真

为了提高三维服装模拟的通用性并保证运行过程的实时性,提出了一种针对任意三维服装模型的仿真方法.首先将不规则的顶点按照三角面关系映射成质点弹簧模型,将弹簧视为类刚性杆,但保持迭代过程中的弱弹性.利用Verlet方法快速预测质点的位置,并通过弱弹性约束防止布料过拉伸现象的发生.实验表明该方法克服了传统解算器对模型的规则网格限制,保证了计算的高效性和可靠性,仿真结果更符合织物的物理特性.     

基于实测数据的软组织形变系统辨识方法

为了实现虚拟手术场景的视觉真实感和触觉真实感,需要建立准确的软组织形变模型。从软组织真实形变角度出发结合系统辨识理论来对软组织进行定量建模。考虑到软组织的各向异性,分别采集软组织的水平形变数据和垂直形变数据,并利用LS-SVR建立软组织应力与应变之间的关系,从而完成对软组织水平方向和垂直方向的形变建模。同时通过对软组织表面的点进行固定采样,并结合所建立的模型可以实现虚拟手术系统输入力输出形变位移的导纳控制。将系统辨识输出的形变结果与真实的形变数据进行对比,辨识结果具有较高的准确性,可以满足虚拟手术系统真实性的要求。     

基于改进韦尔莱积分法的服装仿真系统设计

为了改进服装仿真系统的运行效率,提出一种基于改进韦尔莱积分法的三维服装仿真系统。建立基于质点-弹簧的布料模型,将织物材料特性引入表达式,针对不同布料特性采用不同的弹簧模型参数,在特定质点上添加缝合力使其更加接近真实状况;通过对比不同高精度数值计算方法,选择二阶泰勒级数作为韦尔莱积分法的启动函数,在相同条件下具有更高的计算精度和稳定性;在不同受力情况下,通过引入Beeman算法,大大减小韦尔莱算法的计算误差;最后,采用椭球体包围盒模拟人体进行碰撞检测并处理。经过Visual Studio以及Unity实验平台验证,本文提出的改进系统能够有效模拟出服装在人体上的具体状态,算法稳定性强,具有一定的工程实用价值。     

一种基于质点弹簧模型的牙龈软组织形变仿真算法

在虚拟手术系统中,软组织形变仿真的好坏会直接影响其仿真的真实感。本文以口腔手术涉及的牙龈软组织为对象,应用质点弹簧模型建立其物理模型,提出一种适用于虚拟手术中牙龈形变仿真的中点平均算法。融合了中点法和平均法的优点,采用中点法对速度进行迭代求解,采用平均法对位移进行求解,能够有效减小误差及受步长的影响。通过与多种欧拉算法对比,进一步验证了中点平均算法求解精度更高、受步长的影响更小的优点。     

弹簧质点模型用于经编贾卡织物仿真

随着仿真技术在纺织行业的不断发展,人们对仿真的要求越来越高。而一般贾卡针织物的仿真都是采用直线拼接来模拟织物的弯曲结构,忽略了由于组织相互作用而产生的形变,降低了仿真效果的真实感。为了使花型设计的仿真程度得到进一步提升,本文主要分析了经编CAD中的贾卡织物仿真模块在模拟织物应力形变效果时需考虑的因素,介绍了弹簧质点模型及其用于经编贾卡织物仿真的适用性。     

软土基坑引起下卧隧道隆起的非线性流变

软土地区深基坑开挖改变了周边土体的初始应力,引起周边土体的位移,对周边构筑物造成不均匀沉降、混凝土开裂等不利的影响,并且可能危及临近地铁隧道的安全.对基坑开挖引起的下卧隧道的隆起变形进行了研究并提出了实用的预测方法.基坑开挖土体卸载引起的土体变形采用了Boussinesq应力解进行求解,隧道反力引起的土体变形采用了弹性半空间Mindlin应力解进行分析.隧道本身变形采用了弹性的地下连续梁进行分析,并且考虑隧道与土体的相互作用.通过引入软土的非线性流变模型,考虑了软土变形的时间效应,因此可以对复杂开挖过程进行模拟分析.还对基坑开挖对隧道隆起的效应进行了讨论,通过上海市某重点工程实例的隧道隆起量的预测结果与实测值对比分析,隧道隆起的监测结果证实了该方法的有效性.     

Numerical simulation for sheet metal forming process of 16Mn blade of large concrete-mixer truck

A finite element analysis method was used to simulate the stamping process of the blade of a large concrete-mixer truck. The updated Lagrange method and the elasto-plastic constitutive equation were adopted to solve the large strain and displacement deformation of the blade. A modified Coulomb friction model was used to solve the sliding contact between the blade and the dies. The yon Mises stress distribution in the blade, the spatial displacement variation and the spring-back of the typical node were investigated in the simulation. The yon Mises stress in the blade where the spring-back occurs is lowered from 463.0 MPa to 150.0 MPa before and after the spring-back.A typical node in the blade has a 3.33 mm spring-back in Z direction. The results of the experiments agree well with the simulation. The analysis results are valuable for designing optimal tool dies.     

块石压填法处置软土路基的敏感性参数分析

为了更好地评价天然软土路基加固处理效果,采用基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型,表征天然软土地基的力学特性,利用大型有限元软件ABAQUS建立模型,模拟路堤分层填筑过程,获取采用块石压填法处置后的软土路基承载力和变形特征。分析了不同块石换填层厚度、变形模量、不同堆载荷载及填筑时长对软土路基的承载力以及工后沉降变形的影响特征。结果表明:基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型能够有效地模拟软土路基的变形特征,能用于复杂路基的工后沉降分析;块石压填层的厚度以及变形模量均对地基承载力有显著影响,块石压填层的厚度、填筑时长以及堆载均对工后沉降有显著影响,而块石压填层变形模量并不对工后沉降产生明显影响。     

数值模拟软岩巷道支护技术研究

软岩巷道多具有高应力、变形大、难支护等工程特征,单一支护方式难以控制围岩变形.通过对围岩变形机理、破坏过程分析研究,利用模拟围岩变形破坏的RFPA计算软件,建立了数值计算力学模型.对软岩巷道围岩变形破坏、应力转移过程进行模拟分析,为软岩巷道支护方案设计提供了依据.     

基于TOUGH2和FLAC3D的流固弱耦合程序开发及验证

传统、新型岩土工程问题诸如压缩空气含水层储能、充气截排水技术、二氧化碳地质封存、油气地下储备工程等均涉及气水两相流与应力耦合. 针对这一工程实际,根据非饱和土气水两相渗流-应力弱耦合理论,开发了基于TOUGH2与FLAC3D的气水两相渗流-应力耦合计算搭接程序. 该计算程序能够较为真实地模拟气水两相渗流问题,能够探讨流动过程中气水的相互作用及其对过程的影响. 程序考虑了气水两相渗流与土体骨架变形直接的相互作用,反映了这一过程中孔隙度、渗透率、毛管压力和土体物理力学参数的变化,实现了更为完善的气水两相渗流与应力弱耦合分析. 通过与经典的排水试验和模型试验对比,验证了该程序可以较为准确地模拟气水两相流-应力之间的相互作用.     

牙龈软组织变形仿真技术研究

基于三角网格描述的三维牙颌模型,根据牙龈变形的生理医学特性,结合牙龈变形仿真的实时性和逼真性要求,提出一种完整的牙龈软组织变形仿真算法.该算法根据三维牙颌模型的曲率特性,对其生物特征信息进行定量描述;在曲率特性分析的基础上进行区域划分,确定牙冠、牙龈及变形中的固定区域;根据牙龈的变形类似于带边界约束的弹塑性薄膜的变形特性,采用能量函数驱动方式,实现牙龈动态连续变形.